本发明专利技术公开了一种在马氏体钢表面产生梯度纳米结构的方法，属于金属材料表面纳米化技术领域。该方法采用表面机械碾压处理技术(SMGT)对马氏体钢回转件进行处理，SMGT加工刀具的可自由滚动的硬质球在马氏体钢回转件表面进行高速滚动并碾压，待处理马氏体钢表面发生高速塑性变形，在高应变量、应变速率和应变梯度的条件下，表层的粗晶结构转变为由表及里为纳米晶、亚微米晶以及微米级晶粒的梯度结构。经SMGT表面纳米化处理后马氏体钢的表面粗糙度Ra值小于0.30μm，表面性能得到显著的提升。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属材料表面纳米化
，具体涉及。
技术介绍
工程金属材料及器件的破坏大都源于表面，因此材料表面的组织结构与性能在很大程度上决定了整体材料及器件的使役行为及寿命。提高金属材料表面性能的主要方法和途径包括:(1)利用等离子喷涂、物理气相沉积或化学气相沉积等方法在材料表面制备一层或多层具有特殊使用性能的材料；(2)利用诸如渗碳、氮化、渗铝或渗铬等表面合金化技术改变材料表面的成分与相结构等，在材料表面制备出具有优异使用性能的合金化表层；(3)利用诸如喷丸、超音速金属颗粒轰击、激光冲击强化(LSP)、超声波高能表面机械加工表面纳米化、滚压、表面机械研磨处理(SMAT)等表面机械处理的方法在材料表面原位制备出具有特殊使用性能的表面层。然而，上述方法无论从工艺实施还是处理质量等角度均存在一些问题，这在一定程度上限制了它们的工业应用范围:(1)由于采用等离子喷涂或表面沉积技术制备的表面层材料与基体材料在弹性模量、线膨胀系数等热物理性能上存在差异，它们之间的结合性能可能会影响材料的使用性能，在苛刻的服役环境下表面层材料与基体之间容易产生裂纹直至发生表面层的剥落。(2)采用表面合金化技术获得的合金化表层虽然与基体结合强度较高，但是其处理工艺本身较为复杂，表面合金化过程通常需要高温、长时间、高能耗，基体组织结构在处理过程中可能会发生粗化，并且工艺本身对环境会有一定程度的污染。(3)虽然喷丸、超音速金属颗粒轰击、激光冲击强化等方法可以在材料表面得到一定厚度的残余压应力层，但是表层的晶粒细化程度有限，表面纳米层的厚度较小甚至未形成表面纳米结构，因此材料表面性能的提升空间有限，并且喷丸和超音速金属颗粒轰击的方法存在噪音及粉尘处理等问题。超声波高能表面机械加工表面纳米化方法是利用超声波换能器上的冲头将超声波振动能量输入到待处理材料表面，在材料表面产生高应变速率局部强烈塑性变形，从而将材料表面层晶粒细化到纳米尺度的方法，虽然该方法无需弹丸或金属颗粒作为能量载体，但是由于冲头形状和尺寸的限制，处理后的材料表面不平整，表面粗糙度较高，一定程度上影响了其表面性能。滚压属于一种表面光整处理方法，它利用滚压加工头在一定压力下在待处理材料表面进行滚动，材料表面产生塑性流动，表面光洁度大幅度提高，同时材料表面组织产生晶粒细化，并且产生一定厚度的残余压应力层，从而在一定程度上提升了材料的性能。但是，滚压处理在材料表面制备的组织细化层晶粒尺寸难以达到纳米级，并且细化的深度较小，限制了材料性能的进一步提升。SMAT可以获得厚度较大的纳米结构表层，且表面层晶粒尺寸最小可达7nm，但是该方法的处理效率较低，成本较高，处理过程中存在噪声污染问题，经该处理后的材料表面不平整，粗糙度值较高(Ra >1.Ο μ m) ο由于具有强度高、硬度高、屈强比大等特点，马氏体钢在核电、航空航天、轨道交通、海洋装备、医疗器械等领域有广泛的应用。马氏体钢往往在苛刻的服役环境中作为关键结构件材料使用，这就要求它必须具有优异的使役性能。例如:lCrl3马氏体不锈钢材料常被用作大型燃气轮机主轴材料，其工作环境要求主轴具有优异的力学性能；lCrllNi2W2MoV马氏体不锈钢材料可用于制造中低温条件下工作的航空发动机叶片、轮盘等部件，其工作环境要求该种材料应具备较高的蠕变性能；0Crl7Ni4Cu4Nb沉淀硬化马氏体钢常用于发电机组汽轮机末级动叶片、航空用活塞件或壳体，这就要求该材料具有优异的力学性能和抗水蚀性能。上述性能除了与材料本身的化学成分、组织结构及热处理状态等因素有关之外，还与马氏体钢表面的组织结构特点及性能有密切的关系。调整马氏体钢表面组织结构并对其表面性能进行强化处理将有助于提高马氏体钢结构件的服役寿命。马氏体钢表面强化处理工艺主要有电镀(如镀硬Cr等)、离子镀表面改性层(如TiN/CrN层等)、化学气相沉积(如TiC等)、渗氮、热喷涂等。但是上述方法得到的涂层或镀层与基体的结合强度有限，且处理过程能耗高、时间长且对环境有一定的污染。 与低碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料相比，马氏体钢的抗拉强度高(最高可达1.6GPa)，延伸率较低，其塑性也相对较差。因此，马氏体钢材料的表面机械强化处理方法也有一定的局限性，如果处理方法及工艺选择不当，强化效果较差，处理的质量得不到保证，处理过程中可能会出现马氏体钢材料表面产生裂纹、划伤和表面脱落等缺陷，严重影响表面质量。例如,采用喷丸强化、豪克能两种方法分别对40CrNiMo7马氏体钢表面进行处理后，得到的表面变形层(或硬化层)厚度较小(分别为50 μ m和75 μ m)，表面硬度值(分别为3.0GPa和3.lGPa)相对基体的硬度值(2.7GPa)提升幅度较小，表面光洁度均较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，该方法实现方式简单，可对马氏体钢回转类部件进行表面纳米化处理，处理过程中，马氏体钢表面产生强烈塑性变形，在高应变量、应变速率及应变梯度的作用下，马氏体钢表面的粗晶结构细化为梯度纳米结构。本专利技术的技术方案是:，该方法是采用表面机械碾压处理技术(SMGT)对马氏体钢回转类部件表面进行处理，从而使马氏体钢表层的粗晶结构转变为梯度纳米结构。所述马氏体钢为马氏体不锈钢、调质钢或沉淀硬化马氏体钢。所述表面机械碾压处理技术(SMGT)是在SMGT表面纳米化加工系统上进行，该加工系统包括加工刀具和油性润滑冷却系统，所述加工刀具的前端设置能够自由滚动的硬质球，通过油性润滑冷却系统对所述硬质球进行润滑和冷却，以保证加工刀具的硬质球在碾压马氏体钢时能够高速自由滚动，同时减小高速碾压带来的硬质球和马氏体钢接触部位的温升。所述表面机械碾压处理技术(SMGT)过程为:所述硬质球压入高速旋转的马氏体钢回转件表面一定深度ap的同时，所述加工刀具沿马氏体钢的轴向(或与马氏体钢回转件的表面轮廓线平行的方向)以进给速度V2进给，所述硬质球在马氏体钢表面进行高速滚动并碾压，从而使马氏体钢表层发生高速塑性变形并获得梯度纳米结构。所述马氏体钢回转件旋转的线速度Vi为5X 103-4X 104mm/min,所述加工刀具的进给速度％为1\102-12\102臟/^，加工道次(或反复碾压次数)η为1-10，每个加工道次所述硬质球在马氏体钢表面的压入深度ap为20-200 μ m。所述加工刀具从马氏体钢回转件的一端进给到另一端的过程为一个加工道次。所述硬质球为WC-Co硬质合金球、蓝宝石球或GCrl5球，硬质球直径为4_10mm。所述油性润滑冷却系统包括冷却通道及油性冷却液，所述冷却通道开设于所述加工刀具内轴向方向，其内通入油性冷却液对所述硬质球进行润滑和冷却。马氏体钢采用表面机械碾压处理技术(SMGT)处理后，马氏体钢回转类部件的轴向尺寸(直径)未发生变化，表面光洁度较车削态的表面有大幅度提高，表面粗糙度Ra值小于0.3 μ m ;马氏体钢最表层晶粒尺寸为10-30nm,梯度纳米结构(晶粒尺寸〈lOOnm)层厚度为20-70 μ m,整个梯度组织细化层厚度达100-350 μ m。马氏体钢采用表面机械碾压处理技术(SMGT)处理后，马氏体钢的粗晶结构转变为由表及里为纳米晶、亚微米晶以及微米级晶粒的梯度结构。本专利技术与现有的提高马本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在马氏体钢表面产生梯度纳米结构的方法，其特征在于：该方法是采用表面机械碾压处理技术(SMGT)对马氏体钢回转类部件表面进行处理，从而使马氏体钢表层的粗晶结构转变为梯度纳米结构。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张伟华，黄海威，王镇波，卢柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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